基于准时制状态检修技术的高速公路机电设备运维策略研究

崔镜宇 李一锋 蒋曲然

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031）

0 引言

截至2022年底，全国高速公路通车里程已突破17.7万公里，高速公路建设在PPP项目模式下增长迅猛，预计至“十四五”末，全国高速公路通车里程将突破21万公里。随着以PPP模式开展的高速公路建设不断推进，大部分项目由工程建设进入运维管理的高峰周期。高速公路机电设备主要包括收费设施、监控设施、通信设施、供配电设施等，其覆盖领域广、专业性强、综合技术含量高，对保障高速公路畅通、安全和舒适起着至关重要的作用，是高速公路养护运维的关键对象[1]。

本文以高速公路机电设备为研究对象，基于准时制状态检修技术，研究科学的机电设备运维实施策略，针对机电运维管理模式、监测技术、设备诊断及评价等方面提出有效建议，为保持机电设备正常运行、顺利开展机电运维工作提供技术依据。

1 国内高速公路机电设备运维现状

国内高速公路PPP项目运营单位多年的机电系统运维经验表明，目前高速公路机电运维仍然存在许多不足之处：

（1）信息化、智能化应用水平不高，数据资源利用率不高，没有建立统一的高速公路数据信息库，无法充分挖掘数据价值；

（2）无法实现机电设备运行状态自动监测，无法开展预测性检修工作；

（3）机电设备全寿命周期管理信息化程度低，既有运维数据无法支撑后续设备升级改造；

（4）机电运维管理系统开放程度不高，封闭的系统影响了系统的实用性和体验；

（5）一般情况下是采用“一路一管理”的方式，没有合理、有效地进行运维跨区域、集中化管理，运维人员存在分配不合理的情况，迫切需要优化运维人员结构，整合运维资源，进行运维统筹管理[2]。

结合上述情况，现有高速公路机电设备在运营期基本处于“亚健康”状态，特别是其检测和故障诊断手段具有明显的局限性，主要表现在：

（1）不预知性，即不能详细掌握设备的健康状况，不能确定故障的发生时间，常常导致突发性故障，对运维系统的稳定造成严重影响；

（2）不确定性，即没有相应的故障诊断技术对设备的故障进行定量分析和综合判断，不能准确定位故障类型和故障点，常常延误故障处理时机，造成经济损失；

（3）不连续性，即仅凭技术人员的工作经验，没有形成系统、科学的检测方法和制度，常常造成主观臆断[3]。

2 准时制状态检修理论前瞻性分析

2.1 前瞻性研究的定义

前瞻性研究指的是在研究对象和研究方式提前确定的条件下，对研究对象进行追踪，并在原定计划的时间内评估，把符合原设计的方法列入统计，将统计结果作为研究成果。那么，本文将“高速公路重点机电设备”作为研究对象，“准时制状态检修理论”作为研究方法，研究其在“运营维护期内”的连续运行状态，提出高速公路机电设备的状态检修实施策略。

2.2 准时制的定义

准时制的标准定义指的是一种生产方式，即在所需的时刻，按照需要的数量生产所需要的产品的生产模式。其目的是加速半成品的流转，将库存的积压减少到最低的限度，从而提高企业的生产效益[4]。

当准时制应用于机电设备状态检修时，可将时间定义为前置参数，机电设备运维准时制则表示：在高速公路PPP合同确认的时间范畴内（运营期），以优质的监测手段和检修策略保持机电设备技术状态良好，确保机电系统稳定运行，在运营期结束之后作为合格的产品顺利移交。

2.3 状态检修的定义

状态检修是指在准时制和前瞻性的前置条件下，将新的设备诊断技术应用于设备运营维护期的管理，根据设备状态监测和故障诊断所预知的设备状态，来确定设备维修工作的时间和内容，制定出科学的维修策略，提高设备运行维护的可靠度。

状态检修具有三个显著的特征：一是预知性，即用先进的诊断技术检测设备的状态，提前掌握设备健康度的第一手资料；二是系统性，即依据对设备的状态检测，给出设备运行趋势，制定维修计划，充分体现系统化的集成度，展示其性价比；三是安全性，即通过状态检测，判断设备运行状态，提高设备健康水平，保持运维系统稳定运行[5]。

2.4 基于准时制状态检修的高速公路机电设备运维思路

目前，大量高速公路PPP项目进入了运营维护阶段。在各新建项目中高速公路重点机电设备具有设备类型多、数量大、系统复杂、自动化程度高等特点，“如何保证高速公路重点机电设备在运营维护期安全稳定运行”就成为项目建成后设备运营维护管理的首要课题。笔者认为，应按照现代化的设备管理模式，以“准时制运行状态数轴单边理论”为基础，以提高设备稳定运行能力为立足点，以建立高速公路机电运维监测及管理一体化平台为切入点，以全方位实施设备状态维修为着眼点，逐步完善“技术总师系统宏观调控、系统抓总，路桥总部机关规划协调、分类指导，检测中心实验室微观调节、技术把关”的功能，使设备始终在良好的技术状态下运行，在项目运营维护期具备持续可靠的经济运行能力，最终以合格的产品顺利移交，实现高速公路建设设备运营维护管理的新突破。

3 准时制运行状态数轴单边理论

本文以机电设备状态参数在时间轴上单向运行建立数轴单边模型，如图1所示。

图1 机电设备状态数轴单边示意图

图中，数轴上每个数值点微积分的连续性，形成了机电设备状态。机电设备状态参数在时间轴上进行单向运行，与时间参数有着“一对一”的关系，即一个时间参数对应着一个状态参数，可用（α，t）表示“机电设备状态”的确认。（α，t）=（0，0）表示在时间原点和状态原点，运行条件下，高速公路PPP项目主合同中回购期计取的时间值和经济值；其负值（-α，-t）代表了建设期，正值（+α，+t）代表了运营期。

以时间起始原点进行平面旋转，可以得到状态参数的运动轨迹，也就是状态参数与时间参数的“对冲”，其代表了状态参数的经济运行曲线。理论公式如下：

式中：k为设备运行函数；d为运维合同时间函数；λ为运维经济函数。

根据上述理论，高速公路PPP项目的建设成果可以用“连续运行状态的数轴单边理论”展示为“状态参数在时间轴的单边方向下的连续运动，其旋转运动轨迹形成了项目管理的经济运行曲线（设备状态浴盆曲线）”，如图2所示。

图2 设备状态浴盆曲线示意图

4 高速公路机电设备运维实施策略

4.1 高速公路机电运维监测及管理一体化平台

在研究“连续运行状态的数轴单边理论”的基础上，为了更好地为理论研究提供支持性成果，本文认为，应该研发高速公路机电运维监测及管理一体化平台，这是开展高速公路重点机电设备状态检修的基础。高速公路机电运维监测及管理一体化平台必须具备状态检测、故障诊断、信息管理、学术研究和专业培训五个基本功能[6]。

（1）状态检测功能：通过高速公路机电运维监测及管理一体化平台，技术人员对设备进行日常巡检和定期检测，分析处理各类检测数据，绘制设备的“健康”曲线，为掌握设备运行状态提供预知信息，确定设备维修及使用意见。

（2）故障诊断功能：通过各类先进的检测仪器，对故障设备进行诊断，经过数据分析，界定故障机理，判明故障原因，给出故障处理意见。

（3）信息管理功能：编制设备信息处理系统，建立设备历史状态信息数据库，实现对检测信息的统计、分析、处理、归档的全过程管理，为设备的状态评估提供可靠的信息保证。

（4）学术研究功能：结合高速公路重点机电设备的运行情况，组织专业技术人员有针对性地开展学术研究，不断提高对设备的检测能力，完善平台的功能。

（5）专业培训功能：依托一体化平台，开展各种实际操作训练、理论分析训练和系统模拟训练，培养一批操作型人才、分析型人才和总体型人才。

高速公路机电运维监测及管理一体化平台状态检修与诊断流程主要包括：首先通过日常巡检、定期检测及检测仪器等收集设备运行信息、检测信息、检修信息，再通过平台信息处理系统对检测信息进行统计、分析，并提取故障信息进行诊断，界定故障机理，判明故障原因，给出故障处理意见。最后，形成设备状态全寿命周期归档记录，为后续设备状态评估、学术研究等提供可靠的信息保证。上述流程如图3所示。

图3 设备状态检测与诊断功能流程图

4.2 高速公路机电设备运维策略

在建立机电运维监测及管理一体化平台并实现上述功能的基础上，为实现对高速公路机电设备的全方位信息化管理，还应建立一套完善的运维策略以规范管理模式和体制，具体涉及管理模式、监测技术、设备诊断、状态评估、经济分析、人员素质等多个方面。本文重点从以下三方面进行说明[7]：

（1）建立状态检修组织机构和检测网络：为加强对设备状态检修工作的组织领导，应采取集中控制与分级管理相结合的方法，成立状态检修的三层组织机构和两级检测网络。三层组织机构为决策层、管理层和操作层。决策层由设备运营维护管理主管领导和技术专家组组成，负责状态检修的规划、管理，作出检修决策，评估实施效果等；管理层为检测诊断中心，具体负责获取设备状态信息，分析评估后提出检修建议，制定或审查检修方案、工艺等，同时负责检修的实施监督和检查验收；操作层为运营检修班组，负责设备状态检测、检修和维护，制订检修项目的具体实施方案，对检修项目的质量负责。两级检测网络即检测中心和检修班组，分别负责设备动态信息（运行信息）的监测和静态信息（常规试验）的检测。

（2）制定状态检修管理制度和技术标准：与传统的计划检修管理模式相比，设备状态检修是一项更为科学、更为严谨的系统工程，需要有健全、完善的制度作保障。为此，必须制定设备状态检修管理办法、状态检修控制程序、状态检修实施细则、状态诊断管理办法等管理制度，编制设备状态检测标准化作业指导书、状态诊断标准、设备状态评定分级与检修策略、设备维修技术标准等技术标准，为推行设备状态检修提供可靠的制度保证。

（3）配置先进的检测仪器及监测设备：全面、系统的状态监测数据是状态检修的信息基础，能否用先进的检测技术预先掌握设备所处的状态，查明缺陷性质及其严重程度是状态检修的前提。因此，必须高度重视检测手段建设，配置相应的检测仪器设备。如配备电气设备绝缘检测装置、电气特性检测装置、动力设备特性检测装置、红外监测装置以及故障诊断装置等仪器，在设备现场安装电能品质监测系统、机组振动监测系统等在线监测装置[8]。

高速公路机电设备运维以健全、完善的机电运维规范或技术标准作为保障，通过先进的检测仪器及监测装置对机电设备进行检测，形成海量检测数据，通过运维平台实时监测，挖掘故障信息，开展信息分析、处理，制定故障设备状态检修的计划，作出检修决策。最终全面深化状态检修，将其研究成果涵盖到所有重点机电设备，进一步丰富和完善检测、管理、运维手段，形成全寿命周期的高速公路重点机电设备运营维护管理模式。上述流程如图4所示。

图4 机电设备运维策略技术流程图

5 结束语

近年来，随着高速公路PPP项目的全面建设实施，全新的项目管理模式对机电设备的技术要求越来越高，对机电设备的运维管理也提出了更新的要求。高速公路机电设备具有设备类型多、数量大、系统复杂、自动化程度高等特点，为了实现高速公路机电设备运维标准化、制度化和系统化管理，应当进一步加强运维实施策略研究，进一步完善检测手段和管理方式，确保重点机电设备在运营维护期安全稳定运行。本文基于准时制状态检修技术，研究科学的机电设备运维实施策略，针对机电运维管理模式、监测技术、设备诊断及评价等方面提出了有效建议，可为高速公路机电运维工作提供技术依据。